[發明專利]一種多晶硅定向凝固裝置

有效

• 申請號: 201310242119.5
• 申請日: 2013-06-19
• 公開（公告）號: CN103409789A
• 公開（公告）日: 2013-11-27
• 發明（設計）人: 譚毅;張淑貴;任世強;張曉峰;姜大川
• 申請（專利權）人: 青島隆盛晶硅科技有限公司
• 主分類號: C30B11/00
• 分類號: C30B11/00;C30B28/06;C30B29/06
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技術領域

本發明屬于定向凝固領域，特別涉及一種多晶硅定向凝固裝置。

背景技術

定向凝固是指在凝固過程中采用強制手段，在凝固金屬和未凝固金屬熔體中建立起特定方向的溫度梯度，從而使熔體沿著與熱流相反的方向凝固，最終得到具有特定取向柱狀晶的技術。定向凝固是研究凝固理論和金屬凝固規律的重要手段，也是制備單晶材料和微米級(或納米級)連續纖維晶高性能結構材料和功能材料的重要方法。自20世紀60年代以來，定向凝固技術發展很快。由最初的發熱劑法、功率降低法發展到目前廣泛應用的高速凝固法、液態金屬冷卻法和連續定向凝固技術。定向凝固技術廣泛應用于高溫合金、磁性材料、單晶生長、自生復合材料的制備等力面，并且在類單晶金屬間化合物、形狀記憶合金領域具有極廣闊的應用前景。

現有多晶硅鑄錠爐是采用電阻或感應加熱，將配比好的多晶硅放入方形坩堝內進行熔化后，通過對組成熱場的零組件之間做相對運動，以使得多晶硅料從底部開始冷卻，逐漸向上長晶的定向凝固的方式，得到多晶硅錠的。評價多晶硅鑄錠爐性能的一個重要指標是單位質量的能耗，而降低單位質量的能耗，進而降低成本是企業贏得市場競爭的重要手段。目前市場上企業降低能耗的主要方式是提高單爐產能，從2004年的單爐產量120kg，到170kg，250kg，450kg，650kg。

目前，市面上主流多晶硅鑄錠爐最大的產能是660公斤。伴隨著單爐產能的增加，單個硅錠尺寸必然相應加大，而在鑄錠長晶階段，硅錠底部先冷卻，頂部后冷卻，這樣晶體才能從底部到頂部慢慢生長，頂部的冷卻是靠底部硅晶體將熱量不斷帶到底部而進行的。而如果硅錠尺寸過大，那么，由于硅晶體的導熱性并不好，因此底部和頂部的溫差將會過大而產生應力，此外，晶體過長會導致晶體生長過程中變形，而且，更重要的是，過大的硅錠給坩堝的制造和硅錠的處理以及硅錠的開方帶來困難，不僅需要新型的配套設備，而且，給這些配套設備的坩堝等輔件的成本帶來很大的挑戰。因此，單純提高單爐產能以降低單位質量能耗的方法已經面臨瓶頸。

發明內容

本發明克服上述不足問題，提供一種多晶硅定向凝固裝置，可以最大限度的利用爐體空間，節約設備投資成本。同時，通過控制下部加熱裝置和中部加熱裝置的溫度和水冷的方式來實現所述坩堝底部溫度的降低，使得冷卻速度更快，因此降低了鑄錠單位質量的能耗。

本發明為實現上述目的所采用的技術方案是：包括爐體，連通有通氣管路的上爐蓋通過爐體外置的電動螺旋升降機構安裝在爐體頂部，下爐蓋通過螺紋連接在爐體底部，爐體內安置有坩堝，與下爐蓋相連通的可旋轉升降水冷平臺機構與坩堝底固定連接，爐體內坩堝正上方安裝有上部加熱裝置，其包括安裝在爐壁上的上部水冷銅電極，還有安裝在爐內的依靠螺栓連接的上部石墨電極和上部加熱器石墨環；爐體內坩堝壁外側安裝有中部加熱裝置，其包括石墨匯流器和與其依靠螺栓連接的石墨加熱棒，石墨加熱棒上端與石墨匯流器相連，下端與扇形石墨分流器相連；坩堝和下爐蓋之間安裝有下部加熱裝置，其包括安裝在爐內的下部石墨電極和固定于下爐蓋上的下部水冷銅電極，下部石墨電極下端與下部水冷銅電極相連，上端與扇形石墨分流器相連；爐體內表面均設置有保溫層，其包括位于坩堝正上方的上保溫蓋、位于坩堝外壁的側保溫桶、位于坩堝下的下保溫環和下保溫蓋。

優選方案如下：

坩堝為石英材質坩堝。

上部加熱器石墨環的內徑大于坩堝內徑。

上部加熱器石墨環為方形結構。

上部石墨電極與側保溫桶之間安裝有陶瓷套，用于絕緣。

上部水冷銅電極與爐體之間安裝有陶瓷套，用于絕緣。

在上部水冷銅電極與上部石墨電極的連接端面設置有石墨碳紙，以防發熱量大而導致電極螺紋損壞。

下部石墨電極與下部保溫環之間安裝有陶瓷套，用于絕緣。

下部水冷銅電極與下爐蓋之間安裝有陶瓷套，用于絕緣。

下部水冷銅電極與下部石墨電極的連接端面設置有石墨碳紙，以防發熱量大而導致電極螺紋損壞。

工作過程如下：

1、電動螺旋升降機構帶動上爐蓋上升，與爐體分離，旋轉上爐蓋至完全打開；可旋轉升降水冷平臺機構推動石英坩堝上升，使其高出爐體頂面，裝入硅料。

2、可旋轉升降水冷平臺機構帶動石英坩堝下降，閉合上爐蓋，開始抽真空。

3、當爐體內部的真空度達到1Pa時，開始向爐體內充氬氣，當爐體內部的真空度達到60000Pa時，啟動上加熱裝置、中加熱裝置和下加熱裝置，開始加熱硅料至完全融化。